TWI399456B - 導電膜製作設備及用於在其中處理基板之方法 - Google Patents

Description

導電膜製作設備及用於在其中處理基板之方法

本發明係有關於一種依循所謂串列式概念於真空環境處理基板。在一較佳具體實施列中，其描述一種用於化學氣相沈積(CVD)氧化鋅(ZnO)透明導電膜製作，應用於薄膜太陽能電池。例如，矽基板薄膜太陽能電池之前電極與背電極層領域。更，其可用於所有適用化學氣相沈積之大面積沈積應用中。

在液晶面板與新興的薄膜太陽能產業中所需的透明導電玻璃，目前有三個方式製作，最著名的是如為以「浮動式」的玻璃配合常壓化學氣相沉積(AP-CVD)製作方式；另一使用的真空濺鍍方式；其三使用的低壓化學氣相沈積(LP-CVD)三類。

薄膜太陽能設備中，使用的LP-CVD技術(WO 2008/106812 A1)製程透明導電薄膜，以串列式真空製程設備，統一供應氣體系統，透過分流管線將氣體均等供應至各別處理室(process chamber,PC)，而n個處理室皆可於基板上沈積透明導電薄膜，在相同的循環時間內，各處理室沈積厚度皆為總厚度的1/n，當基板經完整流程，從加載室接續歷經各處理室，最後至卸載密室可達到所需厚度。以上述LP-CVD技術可以獲得大面積且具有一定霧度之透明導電膜，此具霧度透明導電膜適合應用於光伏元件中。本專利利用更改化學品輸送管線以控制處理 室氣氛方法，獲得高霧度之透明導電薄膜及功能性複合疊層，尤其更利於光伏元件應用。

一種用於串列式真空處理基板之設備，其包括：至少一個加載室、至少兩個後續沈積真空室、至少一個卸載室、一化學品統一供應系統、及輸送化學品至各處理室之管線。

一種依據本發明之用於在串列式真空處理系統中，將薄膜沈積於基板上的方法，其包含下列步驟：a)將一第一基板引入一加載室中；降低該室中之壓力；b)將該第一基板轉運至一第一處理室中；c)使用一第一組沈積參數，將第一材料層至少部分地沈積於該第一基板上；d)將該第一基板轉運至該串列式系統之第二處理室中而不致破壞真空；e)在第二處理室，以第二組製程設定參數，沈積第二層薄膜；f)將基板從第二處理室傳送至第三處理室，過程中不破真空；g)在第三處理室，以第三組製程設定參數，沈積第三層薄膜；h)依序傳送至後續處理室，在各處理室沈積所需不同材質之薄膜；i)將該第一基板轉運至一卸載室中；自該系統移除該第一基板，其中在步驟f)的同時，將在該串列式真空系統中，依據步驟d)處理一第二基板。

第一圖係顯示具有4個處理室(PC)之本發明具體實施例， 而具有至少2個PC之其他架構亦可能經濟實用。基板，較佳地為玻璃，厚度範圍介於3與5 mm之間。基板係藉由一輸送帶系統，而自加載工作站輸運至一加載室106中。在加載室106內，壓力係藉由真空泵101而降低至容許基板進一步轉運之位準。同時，該等基板係藉由一紅外線加熱器加熱。一旦達到了操作壓力及所需基板溫度，該等基板將在該加載室中等待，直到在後續處理室PC 1~4 107~110中繼續進行之處理已完成為止。當對該等處理室清潔及後續抽吸降至大約0.1mbar操作壓力後，「加載室」106與PC 1之間的一閘閥112、及PC 4與一「卸載室」111之間的閘閥113將打開，且該等基板將藉複數個滾子而輸運貫通該系統，直到抵達其定位為止。PC 4中之基板將近入卸載室111，而先前在PC 3中處理之基板將定位於PC 4中，以此類推。

在本發明之一具體實施製備硼參雜氧化鋅(ZnO：B)薄膜例中，第二圖。處理室PC 1到PC 4雖使用共同之化學品供應系統216，但各處理室皆可透過化學品輸送管線上之流量器209、211、213、215，獨立調控進入腔室之各反應物種類及其流量大小。第二圖為一示範概略圖示，各處理室至少兩個或兩個以上氣體輸送管線，管線皆配置有流量控制器以調控流量。調變範圍包含：(1)通入反應物種類，沈積透明導電膜時透過改變摻雜源摻雜量，可以因摻雜比例不同而影響導電度、表面形貌與光穿透度；(2)改變通入反應物氧源(如：水、雙氧水、氧、臭 氧、笑氣)比例，可控制透明導電膜氧空缺，達到所需電阻性質；亦可不通入氧源，獲得金屬薄膜沈積。(3)改變通入流量，可以改變沉積速率及薄膜微結構。若相鄰處理室氣氛有所差異，則加入一緩衝區域，如第二圖中PC 2與PC 3之間的緩衝區域204。

在本發明之另一具體實施製備ZnO：B薄膜例中，第三圖。處理室PC 1到PC 4使用共同之化學品供應系統，利用流量控制器313控制化學品進入化學品輸送管線312流量，而於個別化學品供應分流管線裝設流量控制器307、308、309、310，如質量流量控制器、節流閥或過濾器。加載室301與處理室組302~305及卸載室306依序串聯，節流閥可控制個別腔室反應氣體進氣量多寡。第三圖為一示範概略圖示，各處理室至少兩個或兩個以上化學品輸送管線，輸送管線皆配置有流量控制器以調控進入處理室之流量。可調變範圍包含：(1)改變通入反應物氧源(如：水、雙氧水、氧、臭氧、笑氣)比例，可控制透明導電膜氧空缺，達到所需電阻性質，亦可不通入氧源，獲得金屬薄膜沈積。(2)改變通入流量，可以改變沉積速率及薄膜微結構。

在本發明與先前技藝最大差異在於製程化學品供應具有選擇性，透過流量控制器、節流閥或過濾器控制進入個別處理室的氣體流量與氣氛。此設計應用於透明導電薄膜製程設備，可改變摻雜量多寡或/及反應物氧源比例或/及通入之流量，這些 變化可直接影響薄膜導電性、表面形貌、光穿透度與微結構。

依據以上說明的一種用於在串列式系統中處理基板之創造性方法，可藉由在0.3mbar與1.3mbar間之一壓力範圍內呈氣相的二乙基鋅與水混合，溫度介於攝氏160度至210度之間，較佳地為190度，來達成沈積氧化鋅薄膜。二硼烷(B₂H₆)可加入反應混合物中，以達成透明導電氧化物(TCO)層之適度摻雜。各處理室溫度不限定一致，必要時可透過製程參數些微差異調整，以獲得符合需求之薄膜。此外，也可透過照光或電漿處理，以增加反應物解離率、提昇反應物有效使用率、增加薄膜沈積速率、降低製程溫度及薄膜電性特質。具體處理實施例有二：

處理方法實施例一：基板\透明非導電薄膜\透明導電薄膜

以LP-CVD設備，如第二圖，進行多層薄膜材料堆疊沈積，各處理室有個別控制氣體供應機構。本實施例中，因先後製作未摻雜硼之金屬氧化膜(透明非導電膜)與摻雜硼之金屬氧化膜(透明導電膜)，需分別獨立控制二硼烷(B₂H₆)氣體供應。多層薄膜材料堆疊沈積其各處理室製程參數設定不盡相同，相鄰之處理室間或有氣氛交叉干擾問題，所以或許需要插入一不通入化學反應物之處理室權充緩衝區域或兩相鄰處理室間局部低壓抽氣排除擴散至兩相鄰處理室交界處之氣氛。基板在串接的個別處理室靜置鍍膜並依序推移，故最終薄膜之材質組成及厚度為基板在個別處理室鍍膜之累加堆疊結果。

基板於PC 1 202及PC 2 203製程時，不供應摻雜源以沈積 透明非導電膜，為避免反應氣氛交叉污染，可於PC2及PC3之間增設一緩衝區204，緩衝區以局部低壓做成區隔，後續於PC 3 205及PC 4 206供應摻雜源二硼烷以沈積透明導電膜。

基板401為一含90%以上SiO₂之材料或一耐溫之硬質材料。於第一和第二處理室製程參數一致，但各別控制通入之反應氣體。透過通入有機金屬鋅化合物(例如：二乙基鋅(DEZ)、二甲基鋅(DMZ))、水氣及氫氣(H₂)或氬氣(Ar)等氣體，DEZ與H₂O流量比為1：1.2，基板加熱190℃，沈積速率為2.8 nm/s，沈積時間為5 min，透明非導電薄膜(a)402即可堆疊沈積於基板401上。

於第二處理室以透過通入有機金屬鋅化合物(例如：二乙基鋅(DEZ)、二甲基鋅(DMZ))、水氣及氫氣(H₂)或氬氣(Ar)等氣體，DEZ與H₂O流量比為1：1.2，基板加熱190℃，沈積速率為2.8 nm/s，沈積時間為5 min，透明非導電薄膜(b)403沈積於上述處理室所沈積之薄膜，同質透明非導電層厚度為第一及二處理室沈積厚度累加。

於第三處理室過通入有機金屬鋅化合物(例如：二乙基鋅(DEZ)、二甲基鋅(DMZ))、水氣、二硼烷(2%B₂H₆ in H₂)及氫氣(H₂)或氬氣(Ar)等氣體，DEZ與H2O流量比為1：1.2，B₂H₆/DEZ流量比為0.6~1.5，基板加熱190℃，沈積速率為2.6 nm/s，沈積時間為5 min，透明導電薄膜(a)404即可沈積於基板歷經先前處理室所沉積的透明非導電薄膜(b)403上。

於第四處理室設定製程參數和第三處理室一致，相同成分組成及厚度之透明導電薄膜(b)405即可沈積於先前處理室所沉積的透明導電薄膜(a)404上。

以先前技藝設備沈積金屬氧化物，除了有、無摻雜硼差異外，其他製程參數，如溫度、壓力、氣體流量皆相同，沈積相同厚度之金屬氧化膜，其霧度分別為24.57與73.84。若先沈積未摻雜硼之金屬氧化膜一半厚度，而後將以沈積基板移出在大氣氣氛，再進入至另一沈積設備中沈積摻雜硼之金屬氧化膜，所得薄膜霧度為34.81，亦可有效提高薄膜霧度。本實施例處理方法為，第一、二處理室沈積材料為ZnO，第三、四處理室，沈積材料為ZnO：B，過程中全程保持於真空環境下，製得薄膜霧度達40.69，優於上述製程過程暴露在大氣氣氛結果。UV-vis量測結果，第五圖。

處理方法實施例二：

以設備單一化學品輸送管線連接分流管均等分接到個別處理室，特定分流管路以流量控制器307~310，達成分流管內及各處理室分流量差異，如第三圖。本例，通往PC 1之分流管施裝較小開孔率之過濾器，而導入其它處理室之分流管路維持先前的孔洞大小，則PC 1氣體通量降低，PC 2~4氣體通量相對增加。先前技藝分流管路未施加過濾器之各處理室具相同分流量，薄膜沉積速率約為2.17 nm/sec；本創作在PC 1分流管節流薄膜沉積速率約為0.67 nm/sec，未節流之其它後續處理 室薄膜沉積速率則約為2.67 nm/sec。因所有管線總和流量不變，所以基板通過PC 1~4後，薄膜沈積整體厚度和先前技藝所得一致。先前技藝與本創作相較，相同厚度的薄膜沈積，光學霧度分別為6.15及10.87，即以本創作製程方式製備之薄膜可獲得較高霧度，且透過XRD觀察得知，經製程優化結果(100)訊號較明顯，與先前技藝有所差別，第六圖。先前技藝與本創作運用為非晶薄膜太陽能電池模組之前電極，1100mm x 1300mm尺寸電池模組功率輸出瓦數分別為115W及118W，即以本創作製程方式可提高非晶薄膜太陽能電池模組輸出功率。

藉由上述設備與方法，本創作提供一種由單一設備沈積多層薄膜技術與調整表面形貌之方法，惟以上所述者僅為本創作之較佳實例，當不能以此限定本創作實施之範圍；故，凡依本創作申請專利範圍及創作說明之內容所做的簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本創作專利涵蓋之範圍內。

101‧‧‧加載室真空泵浦

102‧‧‧處理室真空泵浦

103‧‧‧卸載室真空泵浦

104‧‧‧化學品供應系統

105‧‧‧化學品輸送管線組

106‧‧‧加載室

107‧‧‧處理室PC 1

108‧‧‧處理室PC 2

109‧‧‧處理室PC 3

110‧‧‧處理室PC 4

111‧‧‧卸載室

112‧‧‧閘閥

113‧‧‧閘閥

201‧‧‧加載室

202‧‧‧處理室PC 1

203‧‧‧處理室PC 2

204‧‧‧緩衝區

205‧‧‧處理室PC 3

206‧‧‧處理室PC 4

207‧‧‧卸載室

208‧‧‧PC 1化學品輸送管線

209‧‧‧流量控制器

210‧‧‧PC 2化學品輸送管線

211‧‧‧流量控制器

212‧‧‧PC 3化學品輸送管線

213‧‧‧流量控制器

214‧‧‧PC 4化學品輸送管線

215‧‧‧流量控制器

216‧‧‧化學品供應系統

301‧‧‧加載室

302‧‧‧處理室PC 1

303‧‧‧處理室PC 2

304‧‧‧處理室PC 3

305‧‧‧處理室PC 4

306‧‧‧卸載室

307‧‧‧流量控制器

308‧‧‧流量控制器

309‧‧‧流量控制器

310‧‧‧流量控制器

311‧‧‧化學品供應系統

312‧‧‧化學品輸送管線

313‧‧‧流量控制器

401‧‧‧基板

402‧‧‧第一沈積層-透明非導電薄膜(a)

403‧‧‧第二沈積層-透明非導電薄膜(b)

404‧‧‧第三沈積層-透明導電薄膜(a)

405‧‧‧第四沈積層-透明導電薄膜(b)

第一圖係本創作導電膜製作設備示意圖。

第二圖係本創作導電膜製作設備之化學品供應管線配置。

第三圖係本創作導電膜製作設備之化學品供應分流管線配置。

第四圖係本發明兩種不同材料堆疊沈積結構示意圖。

第五圖係UV-visible吸收光譜。

第六圖係先前技藝與本創作製程薄膜XRD圖譜。

301‧‧‧加載室

302‧‧‧處理室PC 1

303‧‧‧處理室PC 2

304‧‧‧處理室PC 3

305‧‧‧處理室PC 4

306‧‧‧卸載室

307‧‧‧流量控制器

308‧‧‧流量控制器

309‧‧‧流量控制器

310‧‧‧流量控制器

311‧‧‧化學品供應系統

312‧‧‧化學品輸送管線

313‧‧‧流量控制器

Claims (16)

1. 一種用於串列式真空處理基板之設備，其包括：-至少一個加載室；-至少兩個後續處理室；-至少一個卸載室，其中該等加載、以及該等處理室與卸載室係沿一直線相繼地配置；-一化學品供應系統；-至少一化學品輸送管線，各輸送管線可分別控制；-至少一化學品供應分流管線，由輸送管線分流輸送至各處理室，各分流管線可分別控制。
2. 如申請專利範圍第1項之設備，化學品供應系統有至少兩個以上的儲存槽，可做反應物預熱及(或)混合功用。
3. 如申請專利範圍第1項之設備，各處理室至少有兩個或兩個以上的化學品輸送管線，該等管線供應處理室氣氛皆可獨立控制。
4. 如申請專利範圍第3項之輸送管線，由化學品供應系統單管連接至各處理室，於連接管線上皆有流量控制器，如質量流量控制器、節流閥或過濾器。
5. 如申請專利範圍第3項之輸送管線，由化學品供應系統經輸送管線再以分流管線連接各處理室，於輸送管線有流量控制器，而各分流管無流量控制器。
6. 一種在串列式真空處理系統中將薄膜沈積於基板上的方法，其包含下列步驟： a)將一第一基板引入一加載室(106)中；b)降低該室中之壓力；c)將該第一基板轉運至一第一處理室(107)中；d)使用一第一組沈積參數，將第一材料層至少部分地沈積於該第一基板上；e)將該第一基板轉運至該串列式系統之第二、後續處理室(108)中而不致破壞真空；f)在第二處理室(108)，以第二組製程設定參數，沈積第二層薄膜；g)將第一基板從第二處理室(108)傳送至第三處理室(109)，過程中不破真空；h)在第三處理室(109)，以第三組製程設定參數，沈積第三層薄膜；i)依序傳送至後續處理室，在各處理室沈積所需不同材質之薄膜；j)將該第一基板轉運至一卸載室(111)中；k)自該系統移除該第一基板，其中在步驟f)的同時，將在該串列式真空系統中，依據步驟d)處理一第二基板。
7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該沈積參數包括化學品種類、濃度、流量、溫度及壓力。
8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該沈積包含化學氣相沈積、電漿輔助化學氣相沈積、低壓化學氣相沈積、物理氣相沈 積或反應式物理氣相沈積中之一者。
9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該步驟b)包括額外的基板加熱步驟及(或)基板鍍膜前處理。
10. 如申請專利範圍第6項之方法，第一處理室與第二處理室或往後依序之處理室不限定沈積單一材料。
11. 如申請專利範圍第6項，這方法所用的反應物質至少包含：水(液態或氣態)、有機金屬化合物，如二乙基鋅(DEZ)或三甲基鋁(TMA)、摻雜源，如二硼烷。
12. 如申請專利範圍第6項之方法，第一處理室與第二處理室或往後依序之處理室不限定相同製程參數。
13. 如申請專利範圍第6項之方法，沈積相同材料，控制摻雜氣體濃度比例，摻雜元素濃度比例範圍在0至20%。
14. 如申請專利範圍第6項之方法，各處理室通入製程氣體量以流量控制器控制，通入處理室流量後者大於等於前者。
15. 如申請專利範圍第6項之方法，各處理室通入製程氣體量以流量控制器控制，通入處理室流量後者小於等於前者。
16. 如申請專利範圍第6項之方法，各處理室通入製程氣體量以流量控制器控制，通入處理室氣體流量高低相間。